量子力学100岁了：一场颠覆物理学的“速战速决”｜Nature
量子力学100岁了：一场颠覆物理学的“速战速决”｜Nature
2025年，联合国宣布今年为“量子科学与技术之年”，以纪念量子力学诞生100周年。1925年，德国物理学家海森堡发表了一篇名为《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》的论文，标志着量子力学现代时代的开始。短短几个月内，这场物理学革命彻底改变了人类对微观世界的认知。
图源：维基百科
量子力学诞生之前
20世纪初期，经典物理学无法解释亚原子现象，于是开始引入量子概念。旧量子理论的核心是1910年代发展提出的玻尔-索末菲模型。这个模型由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和德国物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）提出，开辟了原子结构研究的新道路。
玻尔（左图）和索末菲（右图）
玻尔-索末菲模型假设电子在原子核周围以椭圆轨道运动，并受到某些量子化条件的约束。该模型成功解释了氢原子的光谱以及在外加电场或磁场存在时光谱线的分裂。但这个模型在处理氢分子以及具有多个电子的原子时遇到了问题。
海森堡的突破
1923年，海森堡加入德国哥廷根大学理论物理研究所，成为理论物理学家马克斯·玻恩的助手。海森堡发现，玻尔-索末菲模型在处理复杂原子时存在缺陷。他开始怀疑电子轨道的概念，并在1925年提出了一种激进的量子理论新核心。
1925年7月9日，海森堡写信给泡利：“我所有看似糟糕的努力，都是为了彻底消灭‘轨道’这一概念——因为无论如何都无法观察到（相符现象）”。这是海森堡与经典力学的决定性断裂时刻。
海森堡撰写了《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》这篇论文，提出了“建立一个仅基于原则上可观测的量之间关系的理论量子力学基础”。他基于周期性系统的经典运动方程，提出了电子运动的方程，包括位置和动量等量的复杂数组。
矩阵力学与波动力学之争
海森堡的论文发表后，玻恩和约尔当意识到，海森堡方程中的量可以表示为矩阵。他们用这些术语重新表述了理论，矩阵力学的帷幕缓缓拉开。但新模型也有新bug，三位作者表示，新理论的一个缺点是电子的运动不能用空间和时间等熟悉的概念来描述。
1926年，薛定谔提出了波动力学，他认为电子的运动不能在时空中被描述是对物理学家责任的放弃。他制定了一个波动方程，把电子看作波，并在三维空间中有连续的电荷分布。海森堡对波动力学的出现不以为然，认为它不能解释大量的量子现象。
量子力学的发展
1926年春天，矩阵力学和波动力学的等价性得到确立。玻恩重新解释了薛定谔理论中波函数振幅的平方为粒子在碰撞后向特定方向散射的概率。狄拉克提出了变换理论，用概率振幅来描述量子态。
在1925～1927年的2年间，科学家们大约发表了近200篇关于量子力学的文章。海森堡引入了“不确定度关系”这一概念，该概念提出，电子的位置越精确，其动量就越不精确（反之亦然）。
争议与共识
量子力学相关的论文如潮水般涌现，让许多物理学家措手不及。到了1927年索尔维会议召开时，大多数物理学家认为量子力学已经暂时达到了一个临时结论。海森堡和玻恩宣布量子力学是一个“完整的理论，其基本物理和数学假设不再容易修改”。
但爱因斯坦、薛定谔等人对量子力学的抗议从未停止。爱因斯坦在1927年11月给索末菲的信中写道：“量子力学”可能是一个正确的统计定律理论，但总的来说，它是对个别基本过程的不足理解。
结语
量子力学的发展彻底改变了人类对微观世界的认知，为化学、材料科学等领域提供了新的理论基础。时至今日，关于量子理论物理解释的更深层次思考与问题，已经发展到倾向于在哲学思考层面引发议论与探讨。
本文原文来自Nature